這個男人的一生,就是鋰電池行業(yè)的發(fā)展史

    來源:虎嗅網(wǎng)時間:2023-06-28 13:26:00

    本文來自微信公眾號:晚點LatePost (ID:postlate),原標(biāo)題《古德納夫的一生,鋰電池行業(yè)的發(fā)展史》,作者:賀乾明、李梓楠,編輯:黃俊杰,題圖來自:視覺中國

    鋰電池已經(jīng)是現(xiàn)代文明在物理世界的基礎(chǔ)設(shè)施。今天幾乎所有觸手可及的電子產(chǎn)品,路面上越來越多的新能源車都離不開它的驅(qū)動。


    【資料圖】

    像很多其他改變世界的重大技術(shù)突破一樣,鋰電池的普及是幾十年基礎(chǔ)科學(xué)研究、工程突破和商業(yè)驅(qū)動相結(jié)合的成果。但如果不是一個關(guān)鍵的人超出尋常的韌性,這一切來得會更晚。

    故事開始在 1946 年,二戰(zhàn)結(jié)束不到半年的那個春天。剛退役的約翰·古德納夫(John Goodenough)上尉來芝加哥大學(xué)物理系報到,準(zhǔn)備攻讀碩士學(xué)位。他之前在歐洲戰(zhàn)場預(yù)測氣象變化,才剛剛滿 24 歲。

    二戰(zhàn)時的古德納夫。圖片來自諾貝爾獎委員會

    這個充滿無限可能的年紀(jì),放到物理學(xué)界卻是被無情地劃歸到 “被嫌棄” 的那一檔:牛頓 24 歲發(fā)現(xiàn)萬有引力定律;愛因斯坦 26 歲發(fā)現(xiàn)狹義相對論;薛定諤 26 歲提出玻動力學(xué)。

    “我搞不懂你們這些退伍軍人。” 他的講師、芝加哥大學(xué)明星核物理學(xué)家約翰·辛普森(John Simpson)當(dāng)頭就是一盆冷水:“難道你不知道,頂級的物理學(xué)家在你這個年紀(jì)就已經(jīng)做出了重大貢獻,而你想從現(xiàn)在開始?”

    辛普森 27 歲就加入曼哈頓計劃,很快成為研究組長,制造原子彈。而古德納夫雖然參軍前在耶魯讀了本科,但選修的科目是倫理學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué),從沒碰過物理。

    古德納夫?qū)δ欠N “被擋在門外” 的感覺習(xí)以為常了。他出生在一個父母關(guān)系極差、但對他更差的家庭里。當(dāng)大學(xué)教授的父親聽說他被耶魯錄取,給了 35 美元,“只有這些,孩子”——當(dāng)時耶魯大學(xué)一年學(xué)費是 900 美元。母親則不希望他出生,在他 12 歲就送去寄宿學(xué)校,之后少有往來。在自傳中,提到了童年時,古德納夫溫暖地回憶了兄弟姐妹、家庭女傭和一只名叫麥克的狗。沒有父母。

    古德納夫沒有被辛普森勸退。而古德納夫是作為一個政府項目被塞給芝加哥大學(xué),辛普森無權(quán)拒絕。

    辛普森沒有夸大物理研究的困難。古德納夫在芝加哥大學(xué)拿到物理學(xué)博士學(xué)位之后,去麻省理工學(xué)院做了 24 年材料研究。54 歲那年,實驗室因為政府部門分工調(diào)整被關(guān)停,結(jié)束了物理研究生涯。期間他并沒有做出過能與辛普森比肩的顯著突破,最出名的研究是為計算機中的內(nèi)存(RAM)打了基礎(chǔ)。但 20 多年物理學(xué)的研究,讓他更熟悉各種材料的特性,并在之后的研究生涯中發(fā)揮作用。

    失業(yè)后,他在牛津大學(xué)找到了一份工作,開始化學(xué)研究、研究鋰電池材料。他后來接受《美國化學(xué)學(xué)會》刊物采訪時把這次轉(zhuǎn)折視為新的開始:“我正式成為了一名學(xué)者,同時也成為了一名化學(xué)家。”

    他的科研生涯開始晚,但持續(xù)得久,有 47 年。他的研究成果生命力更久——任何用到鋰電池的產(chǎn)品,都直接受益于古德納夫的研究。

    三次重要突破,讓一個概念變成基礎(chǔ)設(shè)施

    古德納夫不是第一批從事電池研究的學(xué)者。世界上第一顆電池在 1800 年就誕生了,意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)用銅板、鋅板和浸泡在鹽水中的紙盤造出了第一個能在固定時間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定電流的電池。

    這即是沿用至今的電池設(shè)計原理,電池使帶電原子(離子)從一個點(正極)移動到另一個點(負(fù)極)產(chǎn)生電流,為設(shè)備供電。

    之后 100 多年,除了法國發(fā)明家加斯頓·普蘭特(Gaston Plante)用鉛酸電池解決了重復(fù)使用問題,增加了碳鋅、鎳鎘當(dāng)正負(fù)極等技術(shù)路線外,電池技術(shù)并沒有太多進展。

    直到 1970 年代,遭遇石油危機的歐美國家開始投入資源尋找石油替代品,研究更高效的電池成為重點資助項目。鋰成了最熱門的研究對象,在整張元素周期表上,它是最輕且?guī)щ娏孔罡叩慕饘伲彩亲钸m合被用于制造電池的元素。

    大量資源傾注,只花了十五年時間,科學(xué)家們就做出了鋰電池的所有關(guān)鍵技術(shù):

    1976 年,英國科學(xué)家斯坦利·惠廷漢姆(Stanley Whittingham)用二硫化鋰和純鋰金屬當(dāng)正負(fù)極做出了第一顆鋰電池,但存在安全問題,極易發(fā)生爆炸。

    1980 年,古德納夫發(fā)明鈷酸鋰電池正極,是提升鋰電池的安全程度的關(guān)鍵步驟,并提升了電池性能。

    1985 年,日本科學(xué)家吉野彰(Akira Yoshino)發(fā)明石墨電池負(fù)極,完成了鋰電池架構(gòu)的最后一塊拼圖。

    1991 年,索尼在古德納夫等人研究基礎(chǔ)上做出商用鋰電池。

    2019 年,惠廷漢姆、古德納夫和吉野彰共同獲得諾貝爾化學(xué)獎。古德納夫研究的正極是電池最關(guān)鍵的零部件,直接決定電池的性能。因此電池通常以正極材料命名。

    商用的鈷酸鋰電池示意圖。圖片來自諾貝爾獎委員會

    從左至右分別為古德納夫、惠廷漢姆、吉野彰。圖片來自諾貝爾獎委員會

    開發(fā)鋰電池最大的挑戰(zhàn)是鋰本身,它極易與水、空氣發(fā)生反應(yīng),非常容易起火爆炸。很長時間只被用在核武器和發(fā)動機的潤滑劑中。惠廷漢姆使用當(dāng)時 1000 美元 / 公斤(相當(dāng)于目前 3.74 萬元人民幣)的二硫化鈦材料盡可能減少起火爆炸風(fēng)險,但成效不大。

    古德納夫自認(rèn)為能研究出能量密度更高、更安全的電池。他的信心來自于麻省理工時期研究的金屬氧化物材料。他認(rèn)為用氧化物做電池正極,能讓電池在更高的電壓環(huán)境中穩(wěn)定放電,這意味著同等重量下,電池能量密度更高。

    電池研究是一個極其考驗韌性的工作。鋰電池行業(yè)的研究人員會將這個過程比作 “煉金術(shù)”,需要不斷調(diào)整溫度、濕度等要素去測試各種材料的性能,測試前沒有人知道結(jié)果會怎樣。

    古德納夫做研究時,計算機才剛開始普及,主要靠人反復(fù)試驗。有 20 多年相關(guān)研究積累的古德納夫,帶著團隊花費了四年時間,才找到了鈷酸鋰。而埃克森美孚實驗室爆炸了幾次就放棄了。

    雖然鈷的價格同樣很貴,超過 30 萬元 / 噸,且全球一半的儲量位于政局動蕩的非洲剛果金。但古德納夫研發(fā)的電池能量密度比當(dāng)時的鎳鎘電池提升了 2.5-3 倍,而且足夠安全,成本已經(jīng)低到被智能手機、電腦公司接受。

    摩托羅拉 1983 年發(fā)布的世界上第一款商用手機 DynaTAC 重 790 克,抵得上 4 個半 iPhone,而且充電 10 個小時,只能通話 30 分鐘。受限于電池,只能這樣。摩托羅拉使用當(dāng)時最先進的鎳鎘電池,儲存 1000 毫安時電量的電池重量就超過 90 克。

    13 年后,摩托羅拉發(fā)布的新款手機 Startac 只有 85 克,通話時間卻長了一倍。變化主要來自新手機采用的鋰電池。

    鋰電池在消費電子行業(yè)迅速普及,也喚起了汽車行業(yè)的雄心。2008 年,特斯拉用 6381 節(jié)鈷酸鋰筆記本電腦電池造出了電動跑車,續(xù)航 393 公里,百公里加速 3.7 秒,已經(jīng)不弱于一般的燃油車。

    驅(qū)動一輛汽車需要的電池數(shù)量是手機的 1300 倍,推動電動汽車普及,不可能像打造豪華車那樣全用鈷酸鋰電池。降低電池成本,也是古德納夫研發(fā)出鈷酸鋰電池后的重要研發(fā)方向。

    現(xiàn)在 99.9% 的電動汽車都采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。這兩個電池技術(shù)路線起點都是古德納夫的團隊:

    1982 年古德納夫和他在牛津大學(xué)的博士后邁克·薩克雷(Mike Thackeray)發(fā)明了比鈷酸鋰更便宜、安全的三元鋰(錳酸鋰)材料。

    1991 年,古德納夫在得州大學(xué)的博士后阿克沙亞·帕迪用磷和鐵的化合物制造出了磷酸鐵鋰材料。

    古德納夫 97 歲時仍指導(dǎo)學(xué)生。圖片來自得州大學(xué)

    “記住我們是在與問題競爭,而不是與人競爭。” 古德納夫獲得諾獎后接受采訪談起怎么做研究說,“對話、對話、對話始終非常重要。”

    研究里發(fā)生沖突很常見,一些分享諾獎的得主甚至因為競爭拒絕同臺。但與古德納夫一起獲得諾獎的惠廷漢姆、吉野彰都把他當(dāng)作數(shù)十年的朋友。惠廷漢姆退休后,還經(jīng)常被古德納夫拉著討論問題。“我告訴同事們,只要約翰還在,我就還是一位在職的科學(xué)家。” 惠廷漢姆在 2019 年接受采訪時說。

    十多年時間研發(fā)出三種改變世界的電池正極材料,決定了古德納夫在鋰電池?zé)o可比擬的地位,也被稱為 “鋰電子之父”。2022 年,古德納夫 100 歲生日時,全球各地的研究者在線接入,為他慶祝,美國化學(xué)學(xué)會旗下《Chemistry of Materials》期刊專門出了一本期刊紀(jì)念他的成就。

    在他 100 歲這年,全球共生產(chǎn)了 957.7GWh 的鋰電池,用于幾乎所有的消費電子產(chǎn)品,用到幾乎每一輛電動汽車中,以及太陽能、風(fēng)能發(fā)電的儲能設(shè)備中。中國工信部估算,只算這些電池,價值就超過 1.2 萬億元人民幣。

    改變了世界,但沒因為專利賺到錢

    47 年的電池研究生涯中,古德納夫拿了化學(xué)家能拿到的所有獎項:諾貝爾化學(xué)獎、恩里科·費米獎、美國國家科學(xué)獎?wù)隆⒏惶m克林獎?wù)隆㈨f爾奇化學(xué)獎、科普利獎?wù)隆⒉闋査埂に顾恕さ吕诅戟劇⑷毡緡H獎等。

    但他并沒有靠鋰電池專利拿到什么錢,他的收入主要來自在幾個高校的薪水。獲得各種獎項的獎金,也被他捐給研究或設(shè)立了獎學(xué)金。

    在牛津大學(xué)研究出鈷酸鋰電池正極時,還沒有人意識到他研究的潛力,牛津大學(xué)拒絕為其申請專利。最后他通過英國原子能研究機構(gòu)申請了專利,代價是他放棄收益。

    1982 年,古德納夫(前排左二)在牛津大學(xué)。圖片來自得州大學(xué) 

    古德納夫后來經(jīng)常被問到的問題是:“當(dāng)你放棄專利時,有預(yù)料到會產(chǎn)生什么結(jié)果嗎?” 他的回答也很誠實,“當(dāng)然沒有”“不知道它會價值數(shù)十億美元。” 但他從來沒有流露出任何懊惱情緒。“幫助實現(xiàn)讓許多人的生活變得更好的技術(shù),帶來喜悅,就足夠了。” 他在諾獎自傳中寫道。

    他失去后續(xù)關(guān)鍵研究的專利,則是體現(xiàn)了商業(yè)的陰暗面。1993 年,71 歲的古德納夫已經(jīng)從牛津大學(xué)到了得州大學(xué)奧斯丁分校做研究,主要的原因是在牛津大學(xué)到了年齡就要退休,而他希望繼續(xù)做研究。

    這一年,作為鋰電池權(quán)威的古德納夫收到 NTT(日本電報電話公司)的材料學(xué)家岡田重人(Shigeto Okada)的申請,希望自費跟著他做研究。古德納夫同意了,安排他和名叫阿克沙亞·帕迪(Akshaya Padhi)的印度博士后一起尋找能量密度更高、更安全的鋰電池。

    經(jīng)過幾年研究后,他們在古德納夫的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磷酸鐵鋰。在此期間,岡田重人一直偷偷向 NTT 透露古德納夫團隊的研究成果。NTT 在此基礎(chǔ)上做進一步的研究,并在 1995 年申請了磷酸鐵鋰專利,引發(fā)了雙方的專利訴訟。

    就在得州大學(xué)與 NTT 打官司的時候,麻省理工學(xué)院的研究者蔣業(yè)明在古德納夫的研究基礎(chǔ)上開發(fā)出自己版本的磷酸鐵鋰,并申請了專利,也跟得州大學(xué)打起了官司。

    “在此之后,業(yè)界的印象是,古德納夫?qū)嶒炇业陌l(fā)明可能會出現(xiàn)在任何地方。” 長期研究電池的作家史蒂夫·萊文(Steve LeVine)說,2008 年比亞迪發(fā)布搭載自研磷酸鐵鋰電池電動車時,已經(jīng)沒人在意它的電池技術(shù)是從哪來的了。 

    未能實現(xiàn)的愿望

    “我希望解決汽車問題,我希望消除世界各地公路上的所有碳排放。”2018 年,96 歲的古德納夫接受采訪時說,“我希望在死之前能看到。”

    他沒有等,而是自己去做。說這話前一年,他和團隊成員發(fā)布論文,介紹了一種“玻璃電池”。這屬于現(xiàn)在鋰電池研究中最熱門的 “固態(tài)電池” 方向。

    現(xiàn)在的鋰電池還不是完美的能量存儲工具。如果充電速度過快,正極會出現(xiàn) “枝晶”,刺穿電池的隔離膜,導(dǎo)致電池短路起火——這是現(xiàn)在電動汽車自燃的主要原因。而且現(xiàn)在的鋰電池能量密度,依舊無法與汽油比肩,續(xù)航和充電速度都有限制,是電動車難以替代燃油車的主要原因。

    固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì),是人類已知的終極電池方案,有望全面解決鋰電池的安全問題,并大幅提高充電速度和能量密度。近年來遭到全球電池企業(yè)和研究機構(gòu)追捧,寧德時代、松下、LG 等都在投入資源研究。

    古德納夫的團隊用玻璃電解質(zhì)代替液體電解質(zhì),搭配堿金屬負(fù)極,宣稱能量密度是現(xiàn)在鋰電池的三倍、只需要幾分鐘就可以充滿電,能充放電 23000 次,不是現(xiàn)在的幾千次,而且不會形成枝晶——意味著不會自燃。

    他們的研究公布之后,因為缺乏全面數(shù)據(jù)引發(fā)了廣泛質(zhì)疑。還有普林斯頓大學(xué)等機構(gòu)的研究者評論,他們提出的電池工作機制 “違背了熱力學(xué)第一定律”。

    古德納夫?qū)⑦@類質(zhì)疑視為競爭,并沒有因為年齡放下研究。直到 2022 年,他 100 歲時,還有 3 篇他是第一作者的論文發(fā)布。而他帶領(lǐng)的團隊,今年還圍繞固態(tài)電池發(fā)布了 6 篇論文。

    和過去所有電池研究一樣,固態(tài)電池依舊是一場反復(fù)實驗、比拼韌性和時間的研究方向。日本的豐田、日立造船等公司在過去 30 年嘗試了數(shù)萬種電解質(zhì)配方,才挑選出幾十種材料應(yīng)用到電池中。

    不同于早先的研究,鋰電池已經(jīng)充分展示了商業(yè)價值。越來越多的學(xué)者、越來越多的公司愿意投入。僅過去一年,全球最大的兩家電池公司寧德時代和 LG 新能源就投入 200 億元人民幣,爭相尋找下一個有潛力的化合物。

    但這一次,古德納夫已經(jīng)不能繼續(xù)參與了。6 月 25 日,他在距離 101 歲生日還有 1 個月時去世。

    本文來自微信公眾號:晚點LatePost (ID:postlate),作者:賀乾明、李梓楠,編輯:黃俊杰

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